D01:10.13374j.isml00103x2006.08.016 第28卷第8期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 8 2006年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2006 激光脉冲法测量硬硅钙石绝热材料热扩散率 魏高升张欣欣于帆陈 奎 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要本文采用非线性参数估计方法来确定硬硅钙石型微孔硅酸钙绝热材料的热扩散率.首先 将绝热材料夹在两个金属片之间制成夹层结构试样，采用激光脉冲法测量试样背面温升：然后通 过理论温升曲线与实验测得的温升曲线的拟合，来估计绝热材料的热扩散率.采用非线性参数估 计可同时估计出热扩散率、散热系数以及试样吸收的能量.通过实验确定出进行热扩散率测量的 绝热材料最佳厚度为16~1.9mm:由试样厚度精度和接触热阻所引起的测量误差在58%以内. 关键词绝热材料硬硅钙石：热导率；激光脉冲法：参数估计 分类号TB35TK121 绝热材料的热导率，热扩散率等参数通常采 热损失的影响，因此获得的结果是可靠的，解决了 用平板法、径向热流法等稳态测量方法来测量，有 激光脉冲法难于测量低导热系数材料热物性的难 时也采用热线法、平面热源法等非稳态测量方 题. 法1.这些方法的共同缺点是所需样品都相对 1模型与参数 较大，在一些特殊场合下，尤其是在新产品的研制 中，如果所能得到的样品较小，就很难采用这些方 11理论模型 法来测量.激光脉冲法热扩散率测试技术，自 测量绝热材料热扩散率的物理模型如图1所 I961年由Pak到等首先提出并研制成功后，经 示.当试样前表面受到均匀激光脉冲的瞬时加热 过多年的发展和完善，目前已成为非稳态法中应 时，忽略侧壁面的热损失，柱体内的传热可视为一 用最为广泛和最受欢迎的方法之一，具有测试周 维的，通过拉普拉斯变换，此一维传热过程可由下 期短、所需样品小、测温范围广、适用材料广泛等 面的热四端网络来描述网： 诸多优点，常用来测量金属材料、导体、半导体材 料以及建筑材料的热扩散率4习，也有研究者用 其测量薄膜材料、液体以及多层材料的热扩散 率6习.但是很少用其测量绝热材料的热扩散率， 金属片 主要原因是：绝热材料导热能力很差，热过程时间 绝热材料 较长，因此热损失不能忽略：另外绝热材料多为多 ·金属片 孔材料，采用激光脉冲法存在辐射击穿问题，不能 满足能量表面瞬间吸收的条件.本文致力于激光 脉冲法测量绝热材料热扩散率的研究.将绝热材 图】激光脉冲法测量绝热材料热扩散率的物理模型 料夹在两个金属片之间，以解决辐射击穿和试样 Fig.I Physical model for the thermal diffusivity measurement on insulation materials by the laser-flash method 背面温度测量困难问题.通过对实验得到的温度 时间曲线与理论曲线的拟合，采用非线性参数 估计得到绝热材料的热扩散率.由于该方法可同 2 (1a 时估计出激光能量和试样表面散热系数，考虑了 这里 收稿日期：2005-05-20修回日期：2005-09-06 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50276003) 可「A1B][1R 作者简介：魏高升(1975一)，男，博士：张欣欣(1957-)，男.教 授，博士激光脉冲法测量硬硅钙石绝热材料热扩散率 魏高升 张欣欣 于 帆 陈 奎 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘 要 本文采用非线性参数估计方法来确定硬硅钙石型微孔硅酸钙绝热材料的热扩散率.首先 将绝热材料夹在两个金属片之间制成夹层结构试样, 采用激光脉冲法测量试样背面温升;然后通 过理论温升曲线与实验测得的温升曲线的拟合, 来估计绝热材料的热扩散率.采用非线性参数估 计可同时估计出热扩散率、散热系数以及试样吸收的能量.通过实验确定出进行热扩散率测量的 绝热材料最佳厚度为 1.6～ 1.9 mm ;由试样厚度精度和接触热阻所引起的测量误差在 5.8 %以内. 关键词 绝热材料;硬硅钙石;热导率;激光脉冲法;参数估计 分类号 TB35;TK 121 收稿日期:2005 05 20 修回日期:2005 09 06 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .50276003) 作者简介:魏高升( 1975—) , 男, 博士;张欣欣( 1957—) , 男, 教 授, 博士 绝热材料的热导率 、热扩散率等参数通常采 用平板法 、径向热流法等稳态测量方法来测量, 有 时也采用热线法 、平面热源法等非稳态测量方 法[ 1 2] .这些方法的共同缺点是所需样品都相对 较大, 在一些特殊场合下, 尤其是在新产品的研制 中, 如果所能得到的样品较小, 就很难采用这些方 法来测量.激光脉冲法热扩散率测试技术, 自 1961 年由 Parker [ 3] 等首先提出并研制成功后, 经 过多年的发展和完善, 目前已成为非稳态法中应 用最为广泛和最受欢迎的方法之一, 具有测试周 期短 、所需样品小 、测温范围广 、适用材料广泛等 诸多优点, 常用来测量金属材料、导体、半导体材 料以及建筑材料的热扩散率[ 4 5] , 也有研究者用 其测量薄膜材料 、液体以及多层材料的热扩散 率[ 6 9] .但是很少用其测量绝热材料的热扩散率, 主要原因是:绝热材料导热能力很差, 热过程时间 较长, 因此热损失不能忽略;另外绝热材料多为多 孔材料, 采用激光脉冲法存在辐射击穿问题, 不能 满足能量表面瞬间吸收的条件.本文致力于激光 脉冲法测量绝热材料热扩散率的研究.将绝热材 料夹在两个金属片之间, 以解决辐射击穿和试样 背面温度测量困难问题.通过对实验得到的温度 -时间曲线与理论曲线的拟合, 采用非线性参数 估计得到绝热材料的热扩散率.由于该方法可同 时估计出激光能量和试样表面散热系数, 考虑了 热损失的影响, 因此获得的结果是可靠的, 解决了 激光脉冲法难于测量低导热系数材料热物性的难 题. 1 模型与参数 1.1 理论模型 测量绝热材料热扩散率的物理模型如图 1 所 示.当试样前表面受到均匀激光脉冲的瞬时加热 时, 忽略侧壁面的热损失, 柱体内的传热可视为一 维的, 通过拉普拉斯变换, 此一维传热过程可由下 面的热四端网络来描述[ 10] : 图 1 激光脉冲法测量绝热材料热扩散率的物理模型 Fig.1 Physical model for the thermal diffusivity measurement on insulation materials by the laser-flash method θ1 1 = A B C D θ2 2 ( 1a) 这里 A B C D = 1 0 hS 1 A1 B 1 C1 D1 1 R t 0 1 · 第 28 卷 第 8 期 2006 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.8 Aug.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.08.016